生物細胞培植裝置的製作方法
2023-04-24 02:20:41
專利名稱：生物細胞培植裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及細胞培植領域，尤其是指一種用作培植動物細胞 的生物細胞培植裝置。
背景技術：
生物科技以及生物醫療科學於當今科技發展中日受重視，而眾多 科研活動中，培植動物細胞，尤其用於人體的細胞(如幹細胞)更是 最受關注的項目之一。無論是研究細胞行為、使用細胞本身或使用細 胞活動的副產品，都是需要有兼具質量、數量和效率的細胞供應所支持。
現今全球有愈來愈多的組織投身於細胞栽培，當中有大學、政府 機構及為數不少的私有企業，市面的培植系統都不可以給胞同時提供 充足氧氣供應及低剪力的培植條件，而聲稱可以同時提供以上兩條件 的培植系統，則因其功能不足的電子、軟體及機械設計而減低了系統 的效率及在應用上受到限制。
故，氧氣供應、移除廢除及低剪力的環境是培植細胞的有利條件； 市面上有若干細胞培植系統應用不同的方法以改善培植效率，例如於 培植的過程中攪拌培植媒體或向之灌氣，這些方法雖然可以提高培植 媒體的含氧量及使細胞懸浮，但卻會於培植媒體中產生湍流，撕裂細 胞聚落(cell aggregates)甚至破壞細胞本身，這一類培植系統只 適用於培植植物、細菌和真菌等等較強壯的細胞。
另外，供動物細胞使用的培植系統的市場沿於起步階段，市面上 亦有一些細胞培植系統利用包含透氣物料的生物反應器及垂直旋轉， 以製造低剪力(shear force)的懸浮環境，及使培植媒體透過透氣
物料和外部進行氣體交換；外部的氧氣會補充培植々某體中被細胞消耗 的氧氣，而細胞產生的二氧化碳則會以反方向從培植媒體流向外部的 空氣。此類系統常見即為現今市場上的用完即棄式生物反應器及操作 系統，其是用迴轉的技術來產生懸浮以培植在容器內的細胞，但這類
系統存在以下缺點和不足之處，使其可用性受到限制
其一、操作程序複雜，在使用時需要定期更換培植媒體，需要更 多繁複和低可操作性的維護工作，如需要打開兩個閥門和使用非標準 設備(指塑膠喉管連接無針頭的注射器及存取口 ，即經改裝的針筒) 進行更換培養媒體，這些不足之處除會降低效率，更會增加培植媒體 被細菌和真菌等等汙染的機會。
其二、因存取口的直徑偏小，限制了可進出容器的物體大小，例 如外植物(explant)或完成培植的組織。
其三、一^:系由外部空氣泵或輔助空氣交換的結構來向透氣部分 來注入新鮮空氣，如此會使得透氣部分的擴散速度低。
其四、目前市場上的旋轉器是使用簡單的模擬電路系統，只提供 簡單的控制和速度顯示，而無法及時反饋過程，給操作者帶來困擾。
再者，相關現有技術還可參閱中國專利CN1271198C、CN1288235C, 以及美國專利US5， 437， 998、US5， 665， 594、US5， 702, 941、US5， 763, 279 等所揭示之專利文獻。鑑於上述各資料，現時市面上的生物細胞培植 系統都未能同時提供高含氧、低剪力及使用簡易培植系統，以致在功 能和使用上都受到若干限制，是故本發明人有需要開發一同時提供前 述三點有利條件及能克服市面系統的限制的細胞培植系統實屬必要。
實用新型內容
本實用新型針對上述現有技術所存在之缺陷，主要目的在於提供 一種提供結構簡單、操作方便且又可實現高含氧、低剪力之生物細胞 培植裝置。
為實現上述之目的，本實用新型採取如下技術方案
一種生物細胞培植裝置，包括一生物反應器以及一將該生物反應
器固定且提供旋轉動力的旋轉系統，該生物反應器包括
一具有橫向軸線的開放容器，其具有一供存入或提取細胞用的存 取口，該存取口由至少一塊可多次刺穿並又能自動閉合針孔的隔板和
一上蓋依次密封；
一透氣件，該透氣件設置於上述開放容器的開口處，並與上述隔 板形成一個以開;^文容器為主的密閉空間；以及
一底座，上述透氣件固定在該底座上；該底座^殳有復it個^f吏若干 面積的透氣件暴露於空氣中的開口，且在該底座上向外的一面設有與 上述旋轉系統配接的連接結構。
所述底座上向外一面還突設有複數個離心扇葉。
所述上蓋頂端設有一支架，該支架中央設有一開口。
所述隔板為矽加鐵弗龍粘接而成的圓碟狀薄片。
所述上蓋與存取口之間設有互相配合的螺旋紋。
所述存耳又口的內直徑為15mm至25mm。
所述連接結構為六角型的帶扣插座。
所述透氣件與底座之間由0型環固定。
所述透氣件為具有透氣性的薄膜或硬板。
所述旋轉系統包括一具有人機介面的控制器和至少 一 由該控制 器操作的旋轉器，上述生物反應器的連接結構與該旋轉器配接。
本實用新型是通過獨特的開放容器閉合與透氣件、底座之間結合 構成的生物反應器，其優點如下
1、 存取口中使用隔板和上蓋，容許用者使用標準皮下注射器來 更換培養媒體，減少改裝針筒和消毒的準備工作。
2、 容器的底座配置離心風扇，用以增加容器附近的通風，從而 提高空氣透過透氣件的透氣率。 3、存取口的直徑為15mm至25mm，可提高存耳又容置內的物質速度。
綜上所述，本實用新型結構簡化，降低製造成本，且培植時可實 現高含氧、低剪力、使用簡易之目的，進而多方面改善細胞培植的效 率、質量和節省成本，如有效地防菌設施可確保培植的品質、簡單的 操作可減省人手及培植物被汙染的風險等等。
圖1是本實用新型之生物反應器的立體外觀示意圖2是本實用新型之生物反應器的另 一視角之立體外觀示意圖3是本實用新型之生物反應器的剖視結構示意圖4是本實用新型之旋轉系統的結構示意圖5是本實用新型之旋轉系統的速度轉變模式的曲線示意圖6是本實用新型之旋轉系統的簡易電路框圖。
具體實施方式
以下結合附圖與具體實施方式
對本實用新型作進一步描述。 請參閱圖1至圖6所示， 一種生物細胞培植裝置，包括一生物反應 器1和一旋轉系統2，其中
如圖1至圖3所示，生物反應器l是供被培植細胞生長及增殖之器 械；其由無毒性及生物惰性的物料製成，以確保不會於培植過程間毒 害或被培植的細胞或與之產生不可欲的反應，該物料需要能夠抵受消 毒程序，同咖瑪射線照和酒精塗抹以至浸泡等等；該生物反應器是包 括一具有橫向軸線的扁平開放容器ll、 一透氣件12和一底座13，其各
構件最好有 一 大體上的水平方向的縱向軸線。當容器11沿水平軸旋轉 時，培養媒體亦會跟隨旋轉，並懸浮當中的細胞，如旋轉速度合適， 細胞可達到i走轉4義懸浮(Clinostat suspension)狀態。
容器11的輪廓被設計成旋轉時產生最少湍流的形態，此一低剪力
的懸浮狀可模擬細胞於主體生長環境，容許細胞三維增長(3D cell multiplication),生長成立體細胞團(eel 1 aggregate );其夕卜壁上 最少有 一部分透明，以讓用者可透過此一透明部分觀察細胞培植情 況；該容器具有一供存入或提取本生物反應器的容物之用的存取口 11a以及一安裝透氣件12的開口 ，該存取口 lla由至少一塊可一皮皮下注 射器重複刺穿及自動閉合針孔的隔板llb和一上蓋llc所密封；該隔板 llb是可選用矽及鐵弗龍(Teflon)粘接而成的圓石茱狀溥片，該上蓋 llc與存取口lla之間設有互相配合的螺旋紋，以讓旋下該上蓋llc時 產生壓力壓緊隔寺反llb,以達到密封該存取口 1 la之效用；在該上蓋llc 的頂端設有一支架lld,以控制皮下注射器侵入深度，保護上蓋llc 下方的透氣組件。該支架lld的中央設有一個只足夠皮下注射器金屬 針部分通過的開口。上述存取口lla的內直徑為15mm至25111111,讓用者 可以最下隔板l 1 b和上蓋11 c從容器11直接裝載或倒出物質，如細胞和 細胞培養液等；因此這一容器ll裝卸方法可用於同一時間內處理較大 體積或較多數量的物質，通常於設置或完結培植過程時使用。
進行培植時，細胞會消耗培養液中的氧氣和養份，同時產生二氧 化碳和代謝廢物。為保持可供細胞生長的環境，用者需要及時替換容 器lla中的舊培養液；於該容器lla中，用者可於前述存取口 lla用一 般皮下注射器經過上蓋llc刺穿隔板llb,注入新鮮的培養液，並以同 一方法抽出容器lla的舊培養液；於其一最佳實施例，本生物反應器 有兩個容器ll，每一容器ll具有一存取口lla,用者可同時分別於兩 個存取口 11 a注入和抽出培養液，以保持反應器內部與環境的壓力平 衡。
以前述隔板llb密封存取口 1 la是可容許簡易及潔淨的維護操作， 該隔板llb之優點如下第一、在使用期限內，隔板llb會自動閉合被 皮下注射器刺穿的針孔，該自動閉合的針孔能達到一定程度的密封及
防止細菌穿過。第二、不涉及手部與存取口lla的直接接觸，如旋扭 封蓋、開關閥門等動作以減少不便的操作和更減低培植物及人交差感 染的風險。第三、容許使用一般的皮下注射器， 一般於市場發售的皮 下注射器已被消毒，因此可節省自行消毒等準備工作。第四、皮下注 射器處容許簡便、精確地從容器中存最特定數量的物質，如培養液、 藥物和細胞等。
前述的透氣件12是提供氣體交換的通道及封閉上述容器lla的開 口，防止培養物溢出容器；該透氣件12可以是一塊薄膜或一塊硬板， 需要具有透氣性讓培養物和環境進行氣體交換。該透氣件12被放置於 前述容器ll的開口處，其中一表面會直接接觸培養物，另一表面則會 暴露於空氣中，並被前述底座13所固定。在其一最佳實施例，該透氣 件12是一塊矽加鐵弗龍的薄膜；並且該透氣件12被底座13和一0型環 14固定於前述容器11的開口處，以與前述容器ll中的隔板llb形成一 個以容器ll為主的密閉空間。該透氣件12因其透氣性，氣體會隨相應 的濃度坡度流動，如進行培植時細胞消耗氧氣、製造二氣化碳，氧氣 從空氣流向培養i某體，二氧化碳則與之相反，此一氣體交換可保持培 養物合適細胞生長。
前述底座13設置有複數個透氣開口13a，使若干面積的透氣件12 暴露於空氣；由於濃度坡度的作用，被培植物釋出的二氧化碳會從培 養液滲透過透氣件12向環境的空氣擴散。同時空氣中的氧氣亦會因濃 度坡度的作用透過透氣件12向培養液滲透，補充被培植物的氧氣。該 底座13上向外的一面設有一用以將本生物反應器1固定到旋轉系統2 的旋轉器上的連接結構13b,在其一最佳實施例，此一連接結構為一 六角型的帶扣插座。當然，在該底座13上向外的一面亦突設有若干數 目的離心扇葉13c，當本發生反應器1被裝上旋轉系統2的旋轉器時， 離心扇葉13c會帶動本生物反應器l周邊的空氣抽向旋轉中心，亦即是 底座13的中央部分，此一氣流，可增加透過透氣件12的氧氣及二氧化
碳交換速度，進而維持培養液和外間的氧氣和二氧化碳的濃度坡度， 以增加氣體交換量。離心扇葉13c的高度、長度及數目可因應被培植 細胞的特性有所調整。
再如圖4至圖6所示，旋轉系統2可產生一低湍流的微重力環境， 其包括兩部分，分別為控制器21和旋轉器22。該旋轉系統的主要功能 是根據用者的指令操作被安裝於旋轉器22上的生物反應器1。在正確
操作下，旋轉系統會以特定速度轉動生物反應器l，使被生物反應器l 裝載的培養液和細胞進入低剪力的懸浮狀態，亦即是迴轉器懸浮狀態
(Clinostat suspension )。 jt匕5顯禾口fr(j才莫4以孩i重力^不境(Microgravity environment)使細胞增殖不會被地心吸力所支配，因而容許細胞形 成更近似母體組織的立體細胞團。同一時間亦減少湍流，以免湍流造 成的剪力破壞細胞，提高培植產量。前述控制器21包括一控制單元21 a 和一人機介面，讓用者獲得系統的運作訊息和並執行用者發出的指 令。該人機介面由顯示單元21b及控制面板21c構成，該顯示單元21b、 控制面板21c分別與控制單元21a電連接，進一步，在該控制單元21a 上還電連接一警示效果的蜂鳴器21d;上述顯示單元21b可供用者獲得 系統狀態的資訊，如轉速及運作時間等等；同時用者亦可透過控制面 板21 c控制整個系統的運作。
上述控制器21的控制單元21a中會被預先編入一轉速轉變程序
(預先設定的旋轉模式，如軟動動/停止，軟體控制調速...)，當用 者進行突然的速度轉變，如暫停高速運轉的旋轉器時，控制器21的控 制單元21a會自動加入一段平緩的速度轉變期(見圖5中A線所示)， 以代替會產生湍流的急劇速度變化(見圖5中B線所示)，故此一速度
轉變模式的曲線除根據初速與終速的差異外，亦根據培養液的粘結 度、細胞的密度得因素而有所調節。
再如圖6，本旋轉系統2是一閉環系統，當中包括一用以監察旋轉 器22中各馬達22a的速度探測器22b，該馬達22a、探測器22b分別與上
述控制單元21a電性連接，當速度探測器22b探測到馬達22a的實際轉 速與設定轉速不符時，旋轉系統便會於控制器21的人機介面2la上顯 示警示字句，提醒用者採取措施。在其一最佳實施例，探測器22b是 一光耦合及光柵圓盤。而控制器21內置有獨立運行的計時裝置，用以 記錄每一馬達的運轉時間，亦即等如各個於旋轉器22上搡作的生物反 應器l的培植時間，計時裝置記錄亦會顯示於控制器21的人機介面21a 上，供使用者進行科學研究及計量管理。當然，於基本配置上， 一臺 控制器21控制二臺旋轉器22,每一個旋轉器22帶有兩個獨立的馬達 22a,亦即是一臺控制器21可分別操作四個生物反應器，本系統可以 因應需求擴充可控制旋轉器22的數量，在此不加予限制。
本實用新型設計重點在於通過獨特的開放容器閉合與透氣件、底 座之間結合構成的生物反應器，培植時可實現高含氧、低剪力、使用 簡易之目的，進而多方面改善細胞培植的效率、質量和節省成本，如 有效地防菌設施可確保培植的品質、簡單的操作可減省人手及培植物 被汙染的風險等等。
以上所述，僅是本實用新型生物細胞培植裝置的較佳實施例而 已，並非對本實用新型的技術範圍作任何限制，故凡是依據本實用新 型的技術實質對以上實施例所作的任何細微修改、等同變化與修飾， 均仍屬於本實用新型技術方案的範圍內。
權利要求1、一種生物細胞培植裝置，包括一生物反應器以及一將該生物反應器固定且提供旋轉動力的旋轉系統，其特徵在於:該生物反應器包括:一具有橫向軸線的開放容器，其具有一供存入或提取細胞用的存取口，該存取口由至少一塊可多次刺穿並又能自動閉合針孔的隔板和一上蓋依次密封；一透氣件，該透氣件設置於上述開放容器的開口處，並與上述隔板形成一個以開放容器為主的密閉空間；以及一底座，上述透氣件固定在該底座上；該底座設有複數個使若干面積的透氣件暴露於空氣中的開口，且在該底座上向外的一面設有與上述旋轉系統配接的連接結構。
2、 根據權利要求1所述的生物細胞培植裝置，其特徵在於所 述底座上向外一面還突設有複數個離心扇葉。
3、 根據權利要求1或2所述的生物細胞培植裝置，其特徵在於 所述上蓋頂端設有一支架，該支架中央設有一開口。
4、 根據權利要求1或2所述的生物細胞培植裝置，其特徵在於 所述隔板為矽加鐵弗龍粘接而成的圓碟狀薄片。
5、 根據權利要求1或2所述的生物細胞培植裝置，其特徵在於 所述上蓋與存取口之間設有互相配合的螺旋紋。
6、 根據權利要求1或2所述的生物細胞培植裝置，其特徵在於 所述存取口的內直徑為15mm至25mm。
7、 根據權利要求1或2所述的生物細胞培植裝置，其特徵在於 所述連接結構為六角型的帶扣插座。
8、 根據權利要求1或2所述的生物細胞培植裝置，其特徵在於 所述透氣件與底座之間由0型環固定。
9、 根據權利要求1或2所述的生物細胞培植裝置，其特徵在於所述透氣件為具有透氣性的薄膜或硬板。
10、 根據權利要求1或2所述的生物細胞培植裝置，其特徵在於所述旋轉系統包括一控制器及一旋轉器，該控制器包括有一預先編入 轉速轉變程序的控制單元和一人機介面，該人機介面可使用者獲得系 統的運作訊息和並執行用者發出的指令；該人機介面由顯示器及控制 面板構成，該顯示器、控制面板分別與控制單元電性連接；該旋轉器 包括至少一馬達和一監測馬達轉速的探測器，該馬達、探測器分別與 上述控制單元電性連接。
專利摘要本實用新型涉及一種生物細胞培植裝置，包括一生物反應器以及一旋轉系統，該生物反應器包括一具有橫向軸線的開放容器，具有一供存入或提取細胞用的存取口，該存取口由至少一塊可多次刺穿並又能自動閉合針孔的隔板和一上蓋依次密封；一透氣件，設置於上述開放容器的開口處，並與上述隔板形成一個以開放容器為主的密閉空間；以及一底座，上述透氣件固定在該底座上，其設有複數個使若干面積的透氣件暴露於空氣中的開口，且在該底座設有與上述旋轉系統配接的連接結構。如此該生物反應器結構簡化，降低製造成本，且培植時可實現高含氧、低剪力、使用簡易之目的，進而多方面改善細胞培植的效率、質量和節省成本。
文檔編號C12M3/02GK201206148SQ200820006480
公開日2009年3月11日 申請日期2008年3月7日 優先權日2008年3月7日
發明者莫建鄰, 莫經倫 申請人:醫健有限公司